난류유동층 전이유속에 대한 온도와 높이의 영향

류 호 정, 최 정 후, 김 상 돈*, 손 재 익**, 선 도 원**, 이 창 근**

건국대학교 화학공학과

*한국과학기술원 화학공학과

**한국 에너지기술연구소

Effects of Temperature and Height on Transition Velocity to Turbulent Fluidization

H.J. Ryu, J.H. Choi, S.D. Kim*, J.E. Son**, D.W. Shun**, C.K. Yi**

Department of Chemical Engineering, Kon-Kuk University, Seoul 143-701

*Department of Chemical Engineering, KAIST, Taejeon 305-701

**Korea Institute of Energy Research, Taejeon 305-343

서론

기체유동층은 조업조건에 따라 서로 다른 흐름특성을 갖게되며 유동화형태의 구분 및 전이유속의 정의는 유동층 반응기의 합리적인 이해에 큰 도움이 된다.  유동화형태는 고체와 기체의 특성, 온도, 압력, 장치규격등에 따라 달라지며 순환유동층의 경우에는 고체순환속도나 블로워, 고체주입장치와 같은 기체 및 고체주입설비의 능력에 의해 달라지기도 한다.

기포유동층 또는 슬러깅 유동층에서 유속이 계속적으로 증가하면 층 전체에 걸쳐 기포가 분쇄되어 작은 기포 또는 공극(void)이 되는 현상을 보이는데, 이 유속이 난류유동층으로의 전이유속(Uc)으로 정의되며, 이때에 층의 압력요동이 최대점을 보인 후 다시 감소하는 것으로 보고되고 있다.  난류유동층에서는 층표면의 구분이 어려워지며 고체혼합과 입자의 비말동반현상이 격렬하게 일어난다.

난류유동층으로의 전이유속을 측정하는 방법은 크게 X-ray 사진촬영이나 육안을 통한 시각적인 관찰에 의한 방법과 정전용량 탐침(capacitance probe)을 이용하여 국부 공극 요동(local voidage fluctuation)을 측정하는 방법, 절대압 또는 차압의 압력요동을 이용하는 방법, 유속변화에 따른 공극율 변화의 기울기를 이용하는 방법 등으로 나눌 수 있다[1].

지금까지 여러 연구자들에 의해 기체유동층에서 난류유동층으로의 전이유속에 대한 연구가 진행되어 왔다.  지금까지의 연구를 종합하면 난류유동층으로의 전이유속은 평균입경, 입자밀도, 온도가 증가함에 따라 증가하며 층직경, 분산판으로부터의 높이, 입도분포폭, 입자의 구형도, 압력이 증가함에 따라 감소하는 것으로 보고되어 왔다.  그러나 온도와 분산판으로부터의 높이변화에 따른 Uc의 변화에 대한 보고는 매우 제한되어 있으며[2-4], 특히 Uc에 미치는 온도의 영향은 입자종류에 따라 서로 다른 경향을 나타내는 것으로 보고되어 왔다[3].  따라서 Uc에 대한 온도와 높이변화의 영향을 보다 분명하게 규명하기 위해서는 넓은 실험범위에서 보다 광범위한 연구를 통한 확인 및 실험자료의 축적이 필요한 실정이다.

본 연구에서는 난류유동층으로의 전이유속에 미치는 층온도와 분산판으로부터의 높이의 영향을 고찰하기 위하여 층물질로 모래입자를 사용하여 상온에서부터 500℃ 까지의 온도변화와 분산판으로부터의 높이(0.10-0.15, 0.15-0.24, 0.24-0.29, 0.02-1.97m)를 변화시키며 난류유동층으로의 전이유속의 변화경향을 측정 및 고찰하였다.

실  험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 실험장치를 나타내고 있다. 유동층은 직경 0.1m,  총높이 2.1m인 스텐레스관(SUS 316)으로 제작되었으며, 층가열장치로는 외부가열방식의 원통형 매몰히터 2개를 사용하였다. 유동화기체로는 공기가 사용되었으며, plenum에 위치한 수평관으로 주입되도록 하였다. 분배기는 multi-tuyere 형으로 직경 20mm의 tuyere 4개에 각각 직경 3mm의 구멍 12개를 배치하였다.

축방향 온도분포는 분산판으로부터 축방향으로 설치된 8개의 K-형 열전대와 data logger(Molytek Model 2702)로 연속적으로 측정하였다.  유동층 내부의 압력요동을 측정하기 위하여 분산판으로부터 축방향으로 12개의 압력점을 설치하였으며, 각 압력점에서의 압력신호는 압력변환기(차압형, Validyne, P24D Model)를 사용하여 전압(±5V)-시간 신호로 바꾸어 자료수집계(data acqusition system, Real time devices Inc., AD2110 Model)를 거쳐서 PC에 저장하였다.  각 실험조건에서 sample은 1kHz의 주파수로 10000개를 수집하였다.

Table. 2는 층물질로 사용된 모래의 대표적인 입도분포 및 물성을 나타낸다.  각각의 입자는 주로 체규격 0.053∼0.425mm 범위의 것을 사용하였다.

실험변수로는 유동층온도(28∼500℃), 압력요동 측정지점의 높이(0.10-0.15, 0.15-0.24, 0.24-0.29, 0.02-1.97m)를 변화시켰으며, 고정층높이는 0.3m 였다. 특성값으로는 각 실험조건에서 측정된 압력신호의 평균값(mean), 평균진폭(mean amplitude), 표준편차(standard deviation), 정규화된 표준편차(normalized standard deviation, standard deviation/mean)등을 계산하였다.

1. air compressor

2. filter

3. pressure regulator

4. flowmeter

5. fluidized bed

6. cyclone 1

7. cyclone 2

8. bag filter

9. diverter

10. sample pot

11. rotary valve

12. heater

13. differential

pressure transducer

14. A/D converter

15. personal computer

16. data logger

Table 2. Sieve analysis of sand.

Particls : sand
□p : 2679kg/m3 [eqn: bar d_p] : 134□m
Sieve size (□m)	Wt. frac.
-425+300	0.041
-300+212	0.107
-212+150	0.320
-150+106	0.320
-106+ 75	0.152
- 75+ 53	0.055
- 53+ 0	0.004

Fig. 1 Experimental apparatus

결과 및 고찰

1. 최소유동화속도

Fig. 2는 상온에서 유속변화에 따른 층의 압력강하, 평균진폭(mean amplitude), 표준편차(standard deviation), 정규화된 표준편차(standard deviation/mean)의 변화를 나타내고 있다.  최소유동화속도는 정의에 따라 층의 압력강하가 일정해지기 시작하는 유속으로 결정할 수 있으며, 그림에 나타난 바와 같이 최소유동화속도보다 유속이 증가하면 평균진폭, 표준편차, 정규화된 표준편차가 급격히 증가하는 경향을 나타내었는데, 이러한 경향은 최소유동화상태에서부터 기포가 출현하고 고체들이 움직이기 시작하여 압력요동이 급격히 증가하기 때문으로 사료되었다.  결과적으로 유속변화에 따라 층의 압력강하를 도시하여 최소유동화속도를 측정하는 방법 이외에도 압력신호의 분석을 통해 최소유동화속도를 측정할 수 있었으며, 압력강하를 도시하는 방법보다는 압력신호의 분석을 이용한 방법이 최소유동화속도를 보다 분명히 결정할 수 있었다.  측정된 최소유동화속도는 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.

Fig. 2 Determination of minimum fluidizing velocity.

2. 난류유동층으로의 전이유속

Fig. 3은 상온에서 차압형 압력변환기를 분산판으로부터 0.02m와 1.97m 높이에 연결하여 유동층 전체의 압력요동을 측정한 결과를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 평균진폭, 표준편차 및 정규화된 표준편차 모두 유속이 증가함에 따라 증가하여 최대점을 보인 후 다시 감소하는 경향을 보였으며 기존의 보고와 마찬가지로 최대점을 보이는 유속을 Uc(약 0.66m/s)로 결정하였다.

Fig. 4는 상온에서 압력변환기를 각각 0.10-0.15m, 0.15-0.24m, 0.24-0.29m에 연결한 경우에 유속변화에 따른 정규화된 표준편차의 변화를 나타내고 있다.  Grace와 Sun[4]의 보고와 마찬가지로 높이가 증가함에 따라 Uc가 감소하는 경향을 나타내었으며 이러한 경향은 같은 유속에서도 분산판으로부터의 높이가 증가함에 따라 기포크기가 증가하여 최대안정기포크기(maximum stable bubble size)에 빨리 도달하여 더 낮은 유속에서 기포가 분쇄되기 때문으로 사료되었다.

Fig. 5는 상온부터 500℃까지의 온도변화에 따라 유동층 전체에 걸쳐 측정된 평균진폭의 변화를 나타내고 있다.  Cai 등[2]의 보고와 마찬가지로 온도가 증가함에 따라 Uc가 증가하는 것으로 나타났으며 이러한 경향은 온도가 증가함에 따라 기포크기가 감소하여[5] 최대안정기포크기에 도달하기 어려워지기 때문으로 사료되었다.

참고문헌

1. Bereton, C. M. H. abd Grace, J. R.: Trans IChemE, 70,  246(1992).

2. Cai, P., Jin, Y., Yu, Z. Q., Wang, Z. W.: AIChE Symp. Ser., 85(270), 37(1989).

3. Chehbouni, A., Chaouki, J., Guy, C. and Klvana, D., in "Fluidization Ⅷ,' edited by Large, J. F. and Lagur□ie, Engineering Foundation, 149(1995).

4. Grace, J. R. and Sun, G.: Can. J. of Chem. Eng., 69, 1126(1991).

5. Stubington, J. F., Barrett, D. and Lowry, G.:Chem. Eng. Res. Des., 62, 173(1984).

Fig. 3 Mean amplitude, standard deviation, normalized standard deviation vs. gas velocity.		Fig. 4 Normalized standard deviation vs. gas velocity at different height.

Fig. 5. Mean amplitude versus gas velocity at different bed temperatures.